某水库溢洪道边坡稳定性分析

刘蓓

(1.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州450008；2.河南省特殊岩土环境控制工程技术中心，河南 郑州450008)

0 引言

随着中国经济的快速发展，边坡工程的大量实施，边坡失稳事故也随之逐渐增多。边坡失稳轻则需要花费人力财力，影响工程的进度或正常运行，重则引发安全事故，造成人员的伤亡。为有效防止边坡失稳事故的发生，在施工前进行较为准确的边坡稳定性判别就显得尤为重要。

通常认为，块状结构岩质边坡稳定性一般好于土质边坡及其它类型的岩质边坡，但受自身岩体的性质、地质构造、地应力、风化作用、开挖方式、地下水侵入及地表水冲刷等因素影响，许多工程项目中块状结构岩质边坡失稳现象也屡见不鲜。

影响块状结构岩质边坡稳定的因素多种多样，其中不同结构面的性质及其与临空面的空间组合关系对边坡的稳定与否常常至关重要。各种断层、裂隙发育形成的结构面破坏了边坡的整体性，导致了岩体力学性能的不连续性和差异性，故结构面处往往成为力学强度相对薄弱的部位。边坡失稳一般发生在倾向坡外的一组结构面或两组不同产状的结构面组合而成的楔形体处。失稳模式主要有：沿某一结构面或复合结构面滑动、节理或节理组易形成楔形体滑动、沿陡倾结构面发生崩塌。进行边坡稳定性判别分析，是从宏观上研究其稳定程度和发展趋势，对工程能否顺利实施及正常运行具有重要意义。

1 概况

工程区地貌形态属丘陵区，溢洪道位于水库大坝右侧，拟建溢洪道开挖边坡高度一般15～25 m，边坡级别为2级。

附近山体两侧自然边坡多呈不对称状，一般北坡坡率为1∶2.40～1∶4.00，南坡为1∶1.10～1∶2.00。出露岩石绝大部分为微片理状安山玢岩，局部段见有斜长石英玢岩分布。其中安山玢岩为杏仁构造，强风化岩石手可捏成粉或锤轻击即碎；弱风化岩石块体较坚硬，锤稍用力击之，可沿裂面脱落；微风化带岩石仅裂隙处微有风化现象，岩石致密坚硬，较均一完整。石英玢岩为块状构造，结构致密、坚硬、性脆。

地下水主要为裂隙水，属弱矿化重碳酸镁钙水。附近发现的下降泉流量小，干旱断流。根据现场水文试验可知：周围岩体透水率绝大部分<1 Lu，仅个别张裂隙带附近渗水性较强。

2 边坡稳定问题的提出

此区断层以近东西向为主，近南北向次之。前者多为逆冲断层，后者多为高角度正断层。断层按产状主要划分为两组，一组走向北东-北西，倾向南东-南西，倾角50°～80°。另一组走向北东，多倾向南东，倾角50°～70°。

断层附近裂隙密集，裂隙宽0.20～2.00 mm，大者可达5 cm，多填充高岭土化、泥石化的腊状泥岩。其它部位裂隙一般长度、宽度、密度均随深度的增加而减小，其中强风化带中裂隙宽1～2 mm，少量达1～5 cm，填充物以粘土为主，铁锰质氧化物次之；弱风化带中裂隙宽1 mm左右，充填物以铁锰质氧化物为主，粘土次之，胶结较好。

溢洪道开挖深度一般15～25 m，拟对强风化状岩石边坡按1∶1.25，弱风化状岩石边坡按1∶1进行开挖。由于边坡开挖深度较大，且附近山体断层、裂隙发育，为防止施工过程或后期运行期间出现边坡失稳情况，需对开挖边坡进行稳定性分析。

3 边坡稳定性分析

块状结构岩质边坡中的断层、裂隙发育形成的结构面往往是边坡岩体中力学性质相对薄弱的部位，结构面既是风化和地下水活动的重要通道，又是外营力改造的对象。产状、充填物、延展性、密度、平整度等因素均不尽相同的结构面致使边坡岩体力学性能出现不连续性和差异性，进而破坏了边坡的整体性，一组或多组结构面与边坡临空面相互的空间组合关系往往成为边坡稳定与否的决定因素。

因此，文章重点从边坡内的结构面及其组合切割关系作为切入点，分别采用斜坡类比法、赤平极射投影法及楔体法对边坡进行稳定性探讨研究。

3.1 斜坡类比法

选择附近岩性、风化程度、坡高、结构面分布和充填性质等方面与溢洪道开挖地段类似的天然或人工剖面进行分析对比，临近地段调查所得的稳定边坡列于表1。

由表1可知：强风化状岩体稳定边坡坡度一般<1∶1.25，弱风化状岩体稳定边坡坡度一般<1∶1。采用斜坡类比法初步分析认为对溢洪道内强风化状边坡采用1∶1.25坡比、弱风化状边坡采用1∶1坡比进行放坡是稳定的。

表1 邻近地段稳定边坡调查表

3.2 赤平极射投影法

赤平极射投影法既可以较直观确定边坡上的结构面和边坡临空面的空间组合关系，可能不稳定楔形体的集合形态、规模大小、空间位置及分布，也可以确定不稳定结构体的可能变形位移方向。

结合结构面产状及其与边坡空间组合关系对边坡稳定最不利的条件，选择A处边坡进行稳定性计算。

已知A处边坡坡高23 m，天然产状约为8∠33，上部9 m范围内风化程度为强风化，其余为弱风化。结构面主要有L1裂隙组和F1断层，其中L1裂隙组产状23∠64，F1断层产状237∠48，溢洪道强风化带岩体边坡产状348∠39(假定强风化岩体边坡坡比为1∶1.25)、溢洪道弱风化带岩体边坡产状348∠45(假定弱风化岩体边坡坡比为1∶1.00)。将L1裂隙、F1断层及不同风化程度岩体开挖边坡按产状画在赤平投影图，见图1、图2所示。

由图1、图2可知，F1结构面与开挖前、后边坡均呈较大角度交叉，L1结构面虽然与开挖前、后边坡交角较小，但L1结构面倾角均大于开挖前、后边坡坡面倾角，故F1或L1单一结构面对该处后边坡稳定性均影响不大；L1裂隙组结构面和F1断层结构面的组合交点M均与边坡投影弧在同一侧，但在ns(天然边坡)和cs(开挖后边坡)之间，说明结构面组合交线的倾向与边坡坡面倾向接近，但倾角小于开挖坡脚而大于天然坡脚，亦属于较不稳定结构。

图1 强风化带边坡稳定分析图

图2 弱风化带边坡稳定分析图

故采用赤平极射投影法分析认为溢洪道内强风化状边坡开挖采用1∶1.25坡比、弱风化状边坡开挖采用1∶1坡比是不稳定的。

3.3 楔体法

由3.2小节可知，A处边坡中L1裂隙和F1断层组合交线的倾向与边坡坡面倾向接近，但倾角小于开挖坡脚而大于天然坡脚，2组结构面切割形成的楔形体为潜在滑体，属于较不稳定结构。为进一步判别该处边坡的稳定性，现采用楔体法进行抗滑稳定计算。

如图3所示，楔形体ABCD为L1裂隙和F1断层切割而成，其中△ABC为天然边坡坡面，△ADC为开挖后边坡坡面，BD为潜在滑动方向。设锲形体的容重为γ，F1滑面具有抗剪强度指标C1及φ1，L1滑面具有抗剪强度指标C2及φ2，潜在滑动方向BD的倾角为α，BD长度为l，F1滑面倾角为α1，L1滑面倾角为α2，楔形体ABCD在△ABC上的高为H，△ABC在线AC上的高为h0，△ABD在线BD上的高为h1，△BCD在线BD上的高为h2。

图3 L1和F1结构面切割的楔体稳定计算简图

(1)

采用公式(1)进行楔形体稳定系数计算，为便于计算，楔形体内不再将强风化带与弱风化带内参数进行细分，各参数结合实际状况折中选定，具体参数取值见表3。

表3 楔形体内风化带实际状况具体参数取值表

计算求得楔形体ABCD的稳定系数K=1.17，该边坡级别为2级，边坡在正常运用条件下为不稳定状态。综上所述：采用楔体法计算认为溢洪道内强风化状边坡开挖采用1∶1.25坡比、弱风化状边坡开挖采用1∶1坡比是不稳定的。

4 结论

文章以某水库溢洪道边坡为例，分别运用斜坡类比法、极射赤平投影法及楔体法进行判别，综合各种分析结果后认为该溢洪道边坡按照拟定坡比开挖后处于不稳定状态，需对其采取治理加固措施。

边坡稳定问题不仅会影响工程进度，破坏工程质量，削减工程寿命，严重的边坡失稳甚至会引发大规模的安全事故。为有效防止边坡失稳事故的发生，在边坡施工前首先要做的就是进行边坡稳定性分析。目前国内进行边坡稳定性分析常用的方法有自然斜坡类比法、调查统计法、查表法、赤平极射投影法、数值分析法等。不同的方法在具备各自优势的同时也存在各自的局限性，在实际工程中，只有尽可能采取多种方法来分析和评价边坡的稳定性，才可以较为经济合理针对边坡进行治理加固，进而最大程度上保证边坡工程的顺利实施及长远安全。